DE112007002317T5 - Thermisches Löt-Grenzflächen-Verbundmaterial für ein elektronisches Gehäuse - Google Patents

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Abstract

Verfahren mit den folgenden Schritten:
– Bewegen eines Gemisches aus geschmolzenem Indium und geschmolzenem Aluminium, wobei die Temperatur des Gemisches so lange gesenkt wird, bis sich das Aluminium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase als Teilchen umwandelt, die in dem geschmolzenem Indium verteilt sind; und
– ausreichendes Bewegen des Gemisches, um das Aluminium in dem gesamten Gemisch verteilt zu halten, wobei die Temperatur des Gemisches so lange weiter gesenkt wird, bis sich das Indium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase umwandelt.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung von Halbleiteranordnungen. Insbesondere betrifft die Erfindung thermische Grenzflächen-Verbundmaterialien für elektronische Gehäuse.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Moderne integrierte Schaltungsvorrichtungen (IC-Vorrichtungen) erzeugen während des Betriebs große Mengen von Wärmeenergie, die deren Leistung negativ beeinflusst und die über verschiedene Mechanismen Schäden verursachen kann, wenn sie nicht abgeführt wird. Die beiden gängigsten Formen von wärmebedingten Schäden sind das Trennen von unterschiedlichen Materialien aufgrund von ungleichen Geschwindigkeiten der thermischen Ausdehnung sowie Rissbildung durch Materialbeanspruchung während der thermischen Ausdehnung und Zusammenziehung. Daher werden mehrere Kühlanordnungen zum Abführen der Wärmeenergie von integrierten Schaltungsanordnungen implementiert. Die meisten dieser Anordnungen funktionieren zumindest teilweise durch Wärmeleitung über physischen Kontakt mit einem Teil einer IC-Anordnung.
  • Der Widerstand gegen Wärmeleitung an einer Grenzfläche zwischen einer IC-Anordnung und einer Kühlanordnung kann die Effizienz und Effektivität der Kühlanordnung mindern. Daher sind zahlreiche thermische Grenzflächenmaterialien (Thermal Interface Materials; TIMs) zur effizienteren Leitung der Wärme von der IC-Anordnung zu der Kühlanordnung entwickelt worden. Zum Beispiel hat sich Indium, das recht gut formbar ist, eine relativ niedrige Schmelztemperatur hat und Wärmeenergie recht effektiv leitet, als ein zweckmäßiges thermisches Grenzflächenmaterial erwiesen. Die Marktkosten für Indium sind jedoch in letzter Zeit dramatisch gestiegen, wodurch auch die Kosten für die IC-Anordnungsgehäuse steigen, die ein Indium-TIM verwenden. Der Umstieg auf ein anderes Material hat die Opferung einiger der Vorteile, die Indium bietet, zur Folge oder ist alternativ mit einem komplizierteren und/oder teureren Herstellungsverfahren verbunden. Zum Beispiel stellt der Versuch, ein TIM zu implementieren, das nicht so gut formbar ist oder einen wesentlich höheren Schmelzpunkt hat, eine starke Herausforderung und ein mögliches Hindernis für das aktuelle Tempo der Entwicklung und Implementierung von sehr kleinen, aber leistungsfähigen IC-Anordnungstechnologien dar. Anwendungen, die ein sehr dünnes TIM in einer dünnen Bondleitung zwischen einer IC-Anordnung und einer Kühlanordnung verlangen, profitieren besonders von den Eigenmerkmalen von Indium.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines thermischen Löt-Grenzflächen-Verbundmaterials (Löt-Verbund-TIM) nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Schnittansicht eines Gemisches aus schmelzflüssigem Indium und schmelzflüssigem Aluminium nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Schnittansicht von Aluminiumteilchen, die in schmelzflüssigem Indium dispergiert sind, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 4 zeigt eine Schnittansicht eines Löt-Verbundmaterials mit Aluminiumteilchen, die in erstarrtem Indium dispergiert sind, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht einer Baugruppe mit einem Löt-Verbund-TIM, das zwischen einer IC-Anordnung und einer Kühlanordnung angeordnet ist, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Thixocasting umfasst das Abkühlen eines schmelzflüssigen Gemisches unter Bewegen des Gemisches, normalerweise durch Rühren oder durch Induzieren einer turbulenten Strömung in dem Gemisch auf andere Weise. Wenn sich das Gemisch abkühlt, trennen sich Materialien in dem Gemisch, die eine höhere Schmelztemperatur haben, normalerweise von dem Gemisch ab und erstarren. Durch das Bewegen sind die erstarrenden Materialien jedoch nicht in der Lage, einheitliche Strukturen zu bilden, wie etwa verzweigte „Bäume". Stattdessen wird das Material in relativ kleine Teilchen aufgespalten, wenn es erstarrt, und bleibt in dem gesamten bewegten Gemisch verteilt, wodurch in einigen Fällen eine metallische Aufschlämmung entsteht.
  • Ein Gemisch kann schließlich ausreichend abkühlen, damit alle Bestandteile des Gemisches erstarren, wodurch ein fester oder halbfester Endzustand entsteht, in dem Bestandteile als relativ kleine Teilchen, Kristalle, Körner oder ähnliche Konfigurationen überall in einem „Wirts"material suspendiert sind. Als Wirtsmaterial kann dasjenige Material in einem Gemisch angesehen werden, das die niedrigste Schmelztemperatur der Bestandteile hat und daher in flüssiger Form zurückbleibt, nachdem die anderen Materialien erstarrt sind. Thixocasting ist zum Mischen und Gießen von Verbundmaterialien aus Bestandteilen geeignet, die als nicht mischbar angesehen werden, wie bei einem Indium-Aluminium-Gemisch.
  • Bei Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, wird ein Löt-Verbundmaterial, das ein Indium-„Wirts"material und in dem Indium dispergierte Aluminiumteilchen enthält, durch Thixocasting hergestellt. Die Mehrheit der Aluminiumteilchen bleiben während des Thixocasting in dem flüssigen und festen Indium eingeschlossen und sind dabei von atmosphärischem Sauerstoff im Wesentlichen getrennt. Daher bleiben die Aluminiumteilchen im Wesentlichen oxidationsfrei. Eine kleine Menge der Aluminiumteilchen formiert sich in einem äußeren Bereich des Indium-Materials oder gelangt durch Rühren dort hin. Dort können sie in Kontakt mit atmosphärischem Sauerstoff kommen und können eine kleine Oxidationsmenge ansammeln. Es ist jedoch zu erwarten, dass die Gesamtmenge von oxidierten Aluminiumteilchen in einem Thixocast-Gemisch extrem gering bleibt, das heißt, im Wesentlichen sauerstofffrei bleibt. Und wie später dargelegt wird, gibt es Möglichkeiten, auszuschließen, dass während des Thixocasting atmosphärischer Sauerstoff in Kontakt mit einem Gemisch kommt.
  • Aluminiumteilchen können zwar einfach in schmelzflüssiges Indium eingemischt werden, um eine ähnliche Verteilung und Verdrängung von Indium wie bei dem Thixocast-Material zu erzielen, aber vorgeformte Aluminiumteilchen haben aufgrund der Einwirkung von atmosphärischem Sauerstoff vor der Zugabe von Indium normalerweise eine Oxidationsmenge, die sich an ihren Oberflächen formiert. Das Oxidmaterial beeinträchtigt die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums, was ein Gemisch mit schlechteren Wärmeleitfähigkeitseigenschaften und einer schlechteren thermischen Leistung als ein Thixocast-Material mit der gleichen Menge von Indium und Aluminium zur Folge hat. Darüber hinaus bilden sich Thixocast-Teilchen oft als kugelige oder kugelförmige Teilchen, wodurch sie sich weiter von den meisten vorgeformten Aluminiumteilchen unterscheiden, die einfach in das schmelzflüssige Indium eingemischt werden können. Außerdem enthalten Aluminiumteilchen, die in einem Thixocast-Gemisch gebildet werden, aufgrund der kontrollierten Bedingungen für die Teilchenbildung in einem Indium-Wirtsmaterial beim Thixocasting nicht so oft Unreinheiten wie extrinsisch gebildete Aluminiumteilchen.
  • Ein Thixocast-Verbundmaterial mit Indium und einer Aluminiummenge hat eine kleinere Menge Indium als eine identische Menge reines Indium, da das Aluminium in dem Material eine gewisse Menge Indium ersetzt. Das bietet zahlreiche Vorteile. Aluminium ist weit billiger als Indium, sodass zum Beispiel ein 1:1-Gemisch aus Indium und Aluminium die Materialkosten für eine gegebene Menge Lötmaterial gegenüber reinem Indium-Material senkt. Gleichzeitig hat Aluminium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit (235 W/mK) als Indium (86 W/mK), sodass die Wärmeleitfähigkeit des Materials wesentlich verbessert wird. Daher ist ein thermisches Löt-Grenzflächenmaterial („STIM” oder „TIM"), das aus einem Thixocast-Gemisch aus Indium und Aluminium hergestellt wird, kostengünstiger und hat eine bessere thermische Leistung als TIMs, die allein aus Indium hergestellt werden.
  • Indium und Aluminium sind hervorragend zum Kombinieren in einem Thixocast-Gemisch geeignet, da sie nahezu äquivalente thermische Ausdehnungskoeffizienten (coefficients of thermal expansion; CTEs) von 27 bzw. 25 ppm/°C (Teile je Million Teile/Grad Celsius) haben. Daher dürfte eine thermische Spannung, die durch thermische Wechselbeanspruchung eines Thixocast-Materials aus Indium und Aluminium entsteht, sehr gering sein, was dazu beiträgt, Schäden wie Delamination oder Rissbildung zu vermeiden, die normalerweise bei Kombinationen aus Materialien mit ungleicheren CTEs zu finden sind. Aluminium ist zwar steifer als Indium, aber reines Aluminium ist ziemlich weich und fließt bei ungefähr 40 MPa, was mit der Fließspannung zahlreicher herkömmlicher Lötmaterialien vergleichbar oder niedriger als diese ist. Da jedoch das Aluminium in einem Thixocast-Material mit Indium in der Form von Teilchen vorliegt, die in dem gesamten Indium verteilt sind, verformt sich unter Spannung bevorzugt das Indium und nicht das relativ steifere Aluminium. Diese günstigen Eigenschaften sowie die vorteilhaften Kostenersparnisse machen ein Indium-Aluminium-Thixocast-Material zu einem hervorragenden Ersatz für reines Indium als TIM-Material in Gehäusen von integrierten Schaltungen, insbesondere wenn es in einer dünnen Bondleitung zwischen einer thermischen Komponente und einem IC-Chip oder einer anderen thermischen Komponente verwendet wird.
  • In 1 umfasst eine Ausführungsform eines Verfahrens 100 zum Herstellen eines Löt-Verbundmaterials bei 101 das Bereitstellen eines Gemisches aus schmelzflüssigem Aluminium und schmelzflüssigem Indium auf. Ein schmelzflüssiges Gemisch 200, das in 2 gezeigt ist, kann auf verschiedene Weise bereitgestellt werden, unter anderem durch Mischen einer Menge schmelzflüssiges Indium mit einer Menge schmelzflüssiges Aluminium, oder durch Mischen von festen Indium-Blöcken und festen Aluminium-Blöcken und anschließendes Schmelzen des Gemisches, oder durch Zugeben einer Menge eines festen Bestandteils (z. B. entweder Indium oder Aluminium) zu einer schmelzflüssigen Menge des anderen Bestandteils, aber die Ausführungsformen sind nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel könnten auch Indium und Aluminium als ein einzelner erstarrter Block bereitgestellt werden, der dann geschmolzen werden kann. Unabhängig von der speziellen Methode, die gewählt wird, wird ein schmelzflüssiges Gemisch 200 bereitgestellt, das sowohl Aluminium 201 als auch Indium 202 enthält. 2 ist eine schematische Darstellung, die zeigen soll, dass sowohl schmelzflüssiges Aluminium als auch schmelzflüssiges Indium in einem schmelzflüssigen Gemisch vorhanden sind. Weder soll eine bestimmte Anzahl von flüssigen Phasen dargestellt werden, um auf das Vorhandensein anderer Materialien als lediglich Aluminium und Indium in einem schmelzflüssigen Gemisch hinzuweisen, noch sollen andere Materialien aus einem solchen Gemisch ausgeschlossen werden. Ein schmelzflüssiges Gemisch kann als einzelne flüssige Phase bei einer hohen Temperatur vorliegen, wie später beschrieben wird, oder es kann zum Beispiel als zwei flüssige Phasen wie in dem Fall vorliegen, dass das Indium und das Aluminium zwar schmelzflüssig sind, aber die Temperatur noch nicht so stark erhöht wird, dass eine einzelne flüssige Phase aus Indium und Aluminium entsteht. 2 soll ebenfalls nicht darauf hinweisen, dass entweder das Indium oder das Aluminium in dem Gemisch in einer bestimmten Konfiguration (z. B. als kugelige Teilchen) vorliegt. Vielmehr ist 2 simplistisch dargestellt, um die Beschreibung nicht zu verkomplizieren.
  • Das vorgenannte Schmelzen von Aluminium und Indium kann unter Verwendung eines Systems mit einstellbarer Temperatur erreicht werden, bei dem die Temperatur eines Tiegels oder anderen Behälters, der zum Aufnehmen eines schmelzflüssigen Materials konfiguriert ist, mit einem signifikanten Grad von Steuerung erhöht und/oder verringert werden kann. Zum Beispiel können Blöcke aus Aluminium und Indium in einem Tiegel elektrisch, mit offener Flamme oder mit einem anderen Verfahren erhitzt werden, wobei die Intensität der Wärmequelle entweder inkrementell oder kontinuierlich erhöht oder verringert werden kann. Es kann eine wärmedämmende Konstruktion verwendet werden, um das Erhöhen oder Absenken der Temperatur der Blöcke oder eines schmelzflüssigen Materials zu verlangsamen. Zum Beispiel kann ein Dämmmaterial, das mindestens einen Teil eines Tiegels für schmelzflüssiges Aluminium und Indium umgibt, teilweise oder vollständig entfernt werden, wodurch die Geschwindigkeit der Erwärmung oder Abkühlung des Gemisches erhöht wird. Wenn ein schnelles Erwärmen oder Abkühlen erwünscht ist, kann auch eine wärmeleitende Flüssigkeit oder ein wärmeleitendes Gas über, um und/oder durch das schmelzflüssige Material strömen gelassen werden (wie zum Beispiel durch ein Rohr oder mehrere Rohre, die durch das Gemisch hindurch und/oder um dieses herum gehen), um die Geschwindigkeit der Wärme-Übertragung zu dem schmelzflüssigen Gemisch oder von diesem weg hin zu der Flüssigkeit oder dem Gas zu erhöhen.
  • Bei einem Gas oder Gasgemisch, das über oder um ein schmelzflüssiges Gemisch fließen gelassen wird, um eine Erwärmung oder Abkühlung zu induzieren, und bei dem das Gas nicht von dem schmelzflüssigen Gemisch getrennt wird, ist es günstig, Sauerstoff auszuschließen, um eine Oxidation der schmelzflüssigen Materialien zu vermeiden. Wenn Sauerstoff insbesondere während des Abkühlens Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gemisch haben kann, kann es zu einer Oxidation kommen und diese kann die thermischen Eigenschaften der entstehenden Endzusammensetzung ungünstig beeinflussen. Um dieses Ergebnis zu verhindern, kann Stickstoff zum Kühlen des schmelzflüssigen Gemisches und/oder zum Ausschließen von Sauerstoff während des Kühlens eingesetzt werden. In einigen Situationen kann es jedoch zweckmäßig sein, Stickstoff auszuschließen oder die verwendete Stickstoffmenge zu verringern, da Stickstoff mit dem Indium reagieren kann, wodurch die thermische Leistung eines Löt-Verbund-TIM ungünstig beeinflusst wird. Alternativ kann ein kontinuierlicher Strom eines relativ inerten Gases, zum Beispiel Argon, an der Oberfläche eines schmelzflüssigen Gemisches vorgesehen werden, wodurch nicht-inerte Gase aus dem Luftraum des Tiegels ausgeschlossen werden und wodurch vermieden wird, dass sie während des Erhitzens oder Abkühlens mit den schmelzflüssigen Materialien reagieren. Eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines schmelzflüssigen Gemisches kann zum Begrenzen der atmosphärischen Gase konfiguriert werden, die Kontakt mit dem schmelzflüssigen Gemisch haben dürfen. Unabhängig von der genauen Vorrichtung oder dem genauen System, die/das zum Schmelzen des Gemisches verwendet wird, wird diese(s) so konfiguriert, dass sie/es eine wesentliche Temperatursteuerung während des Schmelzens des Gemisches und während des nachfolgenden Abkühlens des Gemisches ermöglicht, wie nachstehend beschrieben wird.
  • Wie bereits erwähnt worden ist, bietet ein Gemisch aus 50% Indium und 50% Aluminium große Vorteile. Bei alternativen Ausführungsformen kann jedoch der Aluminium-Gehalt eines Thixocast-Gemisches mit Indium von nur etwa 15 Vol.-% Aluminium bis zu etwa 80 Vol.-% Aluminium variieren. Ein „mageres" Gemisch mit 15–35% Aluminium zum Beispiel bietet zahlreiche der Vorteile von Aluminium und behält dabei immer noch die Eigenschaften von Indium in einem Verbund-TIM. Bei einem anderen Beispiel hält ein Aluminiumgehalt in dem Bereich von 35–65% die Vorteile von Aluminium und Indium ungefähr im Gleichgewicht. Bei einem anderen Beispiel ermöglicht ein Aluminiumgehalt von 65–80% einen höheren Grad der Wärmeleitfähigkeit für thermisch anspruchsvolle Anwendungen, und dabei kann man immer noch von der Formbarkeit eines Indium-Wirtsmaterials profitieren. Darüber hinaus können kleine Mengen Kupfer, zum Beispiel bis zu etwa 5 Masse-%, verwendet werden, um die Verfestigung der Grenzflächen in einem durch Thixocasting hergestellten Verbundmaterial zu unterstützen. Bei einem besonders zweckmäßigen Aspekt kann eine problemlos erhältliche Legierung aus etwa 96% Aluminium und etwa 4% Kupfer verwendet werden. Diese Legierung hat eine Schmelztemperatur (Tm), die der von reinem Aluminium sehr ähnlich ist, und kann als Block oder in einer anderen zweckmäßigen Form zum Schmelzen mit Indium bereitgestellt werden.
  • Die Schmelztemperaturen von Indium und Aluminium sind ziemlich unterschiedlich, wobei Indium bei ungefähr 156°C (Grad Celsius) schmilzt und Aluminium bei ungefähr 660°C schmilzt. Indium und Aluminium werden als ein „nichtmischbares" Legierungssystem angesehen, da die beiden Metalle sich nicht gut miteinander vermischen, was teilweise auf ihren beträchtlichen Unterschied bei der relativen Atommasse und somit bei ihrer Dichte in Bezug auf einander zurückzuführen ist. Daher bleiben das schmelzflüssige Aluminium und das schmelzflüssige Indium auch dann zwei getrennte flüssige Phasen in dem Gemisch, wenn sie nur geringfügig über die Schmelztemperatur von Aluminium erhitzt werden. Wenn die Metalle jedoch auf extrem hohe Temperaturen, zum Beispiel auf oder über etwa 875°C bei etwa 1 Atmosphäre, erhitzt werden, bilden sie ein ideales Gemisch mit nur einer flüssigen Phase. Wenn ein schmelzflüssiges Gemisch aus den beiden abgekühlt wird, ohne die Erstarrungsbedingungen nach Thixocasting-Methoden zu steuern, wird Aluminium oft zu der Oberfläche des Gemisches abgeschieden, während Indium oft zu der Unterseite des Gemisches abgeschieden wird, sodass zwei getrennte Zonen entstehen, wobei eine Aluminium-reich und die andere Indium-reich ist.
  • Daher wird, wie bei 102 von 1 zu sehen ist, das Gemisch während des Abkühlens bewegt, um dendritische Aluminiumstrukturen auseinanderzubrechen, bevor sie in großem Umfang entstehen können, und um zu vermeiden, dass sich das Aluminium und das Indium trennen. Bei einer besonders effektiven Ausführungsform wird das Gemisch einem sich kontinuierlich ändernden Magnetfeld ausgesetzt, das ein „magnetohydrodynamisches" Rühren und eine turbulente Strömung in dem Gemisch induziert. Eine turbulente Strömung eines flüssigen Metalls über den und um die sich immer noch bildenden dendritischen Aluminiumstrukturen bringt Zug- und Scherkräfte auf die Dendriten auf. Wenn diese Kräfte größer als die Zug- und/oder Scherfestigkeit der Dendriten werden, brechen die Dendriten auseinander, sodass Aluminiumteilchen entstehen. Die bei einer speziellen Ausführungsform benötigte Größe der turbulenten Strömung hängt unter anderen Faktoren von der Viskosität der Schmelze, den Abmessungen der Dendriten und der Verarbeitungstemperatur ab und sollte daher experimentell ermittelt werden. Ebenso können andere Zusammensetzungen von Aluminium und Indium sowie andere Mengen des schmelzflüssigen Gemisches andere Magnetfeldstärken erfordern, um eine ausreichende Strömung in dem gesamten Gemisch zur Vermeidung einer Trennung des Aluminiums von dem Indium aufrechtzuerhalten. Mit einfachen Versuchen kann aber in jedem Fall eine ausreichende Feldstärke ermittelt werden. Ein Magnetfeld kann mit einer Thixocasting-Einrichtung erzeugt werden. Diese Einrichtung dient zur Herstellung von Kraftfahrzeugteilen unter Verwendung von herkömmlichen Aluminiumlegierungen für Konstruktionszwecke (z. B. mischbare Legierungssysteme).
  • Alternativ umfasst das Bewegen eines Gemisches beim Thixocasting ein mechanisches Rühren des Gemisches so kräftig, dass das erstarrende Aluminium in Teilchen zerfällt, die dann in dem gesamten Gemisch verteilt werden und daran gehindert werden, sich aus dem Gemisch abzusetzen. Ein Beispiel für mechanisches Rühren ist das Einführen einer Vorrichtung in das Gemisch und das Bewegen der Vorrichtung, um eine Bewegung in dem Gemisch zu induzieren und/oder aufrechtzuerhalten, aber die Ausführungsformen sind nicht hierauf beschränkt. Natürlich hätte eine Vorrichtung, die zum Rühren in das Gemisch eingeführt wird, normalerweise eine höhere Schmelztemperatur als die maximale Temperatur des Gemisches, sodass die Vorrichtung nicht schmelzen würde.
  • Wenn die Temperatur des Gemisches durch eine thermische Zone (Bereich von Temperaturen), in der die Schmelztemperatur des Aluminiums in dem Gemisch liegt, gesenkt wird, beginnt das Aluminium in dem gesamten Gemisch zu erstarren. Durch fehlendes Bewegen trennt sich erstarrendes Aluminium von dem immer noch schmelzflüssigen Indium, und in dem gesamten Gemisch kommt es zu einem Dendritenwachstum. Durch ständiges ausreichendes Bewegen wer den jedoch die entstehenden Dendriten auseinandergebrochen und die relativ kleinen Teilchen des erstarrenden Aluminiums werden überall in dem immer noch schmelzflüssigen Indium verteilt. Und aufgrund der Zirkulation der Teilchen in dem gesamten Gemisch nehmen die Teilchen oft eine annähernd kugelförmige Gestalt statt einer Baum-ähnlichen Form an, die für das Dendritenwachstum typisch ist. Wenn die Temperatur des Gemisches sinkt, entstehen neue Teilchen, und vorhandene Teilchen wachsen weiter, bis das resultierende Gemisch 300, das in 3 gezeigt ist, schmelzflüssiges Indium 302 mit kleinen, annähernd kugelförmigen Teilchen aus festem Aluminium 301 enthält, die überall verteilt sind. An einem bestimmten Punkt, an dem die Temperatur des Gemisches unter die Schmelztemperatur von Aluminium sinkt, liegt das gesamte oder im Wesentlichen das gesamte Aluminium in dem Gemisch als feste Teilchen 301 vor.
  • Wenn in diesem Stadium die Bewegung aufhört, trennen sich das Indium und das Aluminium immer noch voneinander. Bei 103 von 1 und in 4 wird die Bewegung fortgesetzt, wenn die Temperatur des Gemisches auf mindestens die Temperatur sinkt, bei der Indium 402 in dem Gemisch erstarrt, wobei Aluminiumteilchen 401 in dem Indium 402 suspendiert und dort überall verteilt bleiben. Daher bleiben, wenn das Indium 402 in dem Gemisch schließlich überall erstarrt, die Aluminiumteilchen 301 verteilt, wodurch ein Thixocast-MMC-Material 400 (MMC-Material: Metal Matrix Composite Material; Metall-Matrix-Verbundmaterial) mit Aluminium in einer Indium-Matrix 402 entsteht. Dadurch, dass sich die Aluminiumteilchen 401 in dem Indium bilden, sind die Teilchen 401 im Wesentlichen oxidationsfrei. Einige Teilchen sind möglicherweise an den äußeren Rändern der Indium-Matrix 402 zu finden und werden daher dem atmosphärischen Sauerstoff ausgesetzt, sodass es in einem Teil der Oberfläche einiger Aluminiumteilchen, die sich dort befinden, zu einer geringfügigen Oxidation kommen kann. Die große Mehrheit der Teilchen 401, die sich bilden und vollständig von der Indium-Matrix 402 umgeben bleiben, ist jedoch oxidationsfrei, im Gegensatz zu vorgeformten Aluminiumteilchen, die bei dem herkömmlichen Rührgießen einfach in das schmelzflüssige Indium gelangen. Vorgeformte Aluminiumteilchen haben normalerweise eine Außenhaut aus oxidiertem Aluminium. Wenn sie in einem herkömmlichen Rührguss-Verbundmaterial verwendet werden, erhöht die Oxidation die Wärmebeständigkeit des Materials gegenüber der eines Thixocast-MMC-Materials aus Aluminium und Indium. Daher ermöglichen relativ oxidationsfreie Aluminiumteilchen ein Löt-Verbund-TIM mit verbesserten thermischen Eigenschaften und verbesserter thermischer Leistung.
  • Aluminiumteilchen können sich in verschiedenen Größen bilden. In einem Beispiel beträgt ein relativ schmaler Bondleitungsspalt zwischen einer IC-Anordnung 515 und einem IHS 505 etwa 200 Mikrometer (0,2 Millimeter). In diesem Beispiel kann ein annähernd kugelförmiges Aluminiumteilchen einen Durchmesser von ebenfalls ungefähr 200 Mikrometer haben oder es könnte viel kleiner sein. Wenn der Durchmesser der Aluminiumteilchen zum Beispiel kleiner als 50 Mikrometer ist, könnten sich mehr als vier Teilchen über die Breite des Bondleitungsspalts ausrichten. In einer normalen Situation können sich ungefähr 5–10 Teilchen über einen Bondleitungsspalt in einem Thixocast-Löt-TIM ausrichten, was von den Größenschwankungen zwischen den Teilchen abhängt. Die Größe der Teilchen in einem Thixocast-Löt-Verbundmaterial kann von solchen Faktoren wie zum Beispiel der Geschwindigkeit der Abkühlung, der Geschwindigkeit und Methode der Bewegung und den relativen Mengen von Aluminium und Indium in einem Gemisch beeinflusst werden. Die Einrichtung, die Umgebungs-, Zusammensetzungs- und/oder Verarbeitungsparameter, die diese und andere die Teilchengröße bestimmende Faktoren beeinflussen, können durch relativ einfache Versuche zur Herstellung von Teilchen in einem angestrebten Größenbereich entsprechend einer gewünschten Anwendung geändert werden.
  • Die Formbarkeit des resultierenden Thixocast-Verbundmaterials 400 ist mit einem Indium-Lötmaterial vergleichbar, da es das Indium 402, und nicht die Aluminiumteilchen 401, ist, das sich gewöhnlich unter Beanspruchung verformt. Daher kann das Thixocast-Verbundmaterial relativ einfach zur Verwendung als Löt-TIM eines Gehäuses einer integrierten Schaltung oder einer anderen ähnlichen Anwendung konfiguriert werden, die ein thermisches Grenzflächenmaterial erfordert, das zwischen thermischen Anordnungen angeordnet ist, um den Fluss der Wärmeenergie zwischen den Anordnungen zu unterstützen. Das so konfigurierte Thixocast-Material wird als „Löt-TIM-Formteil" oder einfach als „Formteil" bezeichnet.
  • Bei einer Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, weist eine IC-Gehäusebaugruppe 500 ein Thixocast-Löt-TIM 510 auf, das zwischen einem IHS 505 und einer IC-Anordnung 515 angeordnet ist, um Wärmeenergie von der IC-Anordnung 515 zu dem Wärmeverteiler 505 zu leiten. Zumindest die IC-Anordnung 515 und normalerweise auch der IHS 505 sind außerdem mit einem Gehäusesubstrat 520 oder einem anderen Substrat physisch verbunden. Gelegentlich erfordern solche Anwendungen einen schmalen Bondleitungsspalt zwischen dem IHS 505 und der IC-Anordnung 515, und das Thixocast-Löt-Verbundmaterial kann zu einem Löt-TIM-Formteil 510 in Form einer dünnen Folie gewalzt oder in anderer Weise geformt werden, das in den schmalen Bondleitungsspalt passt und eine effiziente Wärmeleitung über diesen Spalt aufrechterhält. Natürlich werden nicht alle Löt-TIM-Formteile so dünn konfiguriert, und ein Thixocast-Verbundmaterial kann bei anderen Anwendungen problemlos als relativ dickeres Löt-TIM-Formteil konfiguriert werden.
  • Eine IC-Gehäusebaugruppe 500 kann dann einen Teil eines Computersystems [z. B. eines Personal Computers (PC), unter anderem eines tragbaren PC oder Desktop-PC, oder eines Servers], eines Unterhaltungssystems (z. B. Musik-Abspielgerät, Video-Abspielgerät, Videospielgerät), eines Überwachungs- oder Messsystems, eines Fahrzeugsteuersystems (z. B. eines Sicherheits-, Motorfunktions-, Navigations-, Emissions-Steuersystems) oder eines anderen Systems bilden, das eine IC-Anordnung für die Signalverarbeitung, Speicherung oder andere derartige elektronische Operationen verwendet. Als Teil eines dieser Systeme wird die IC-Anordnung der Gehäusebaugruppe elektrisch in das System integriert, um elektrische Signale von anderen Systeminternen und/oder -externen Geräten zu empfangen und/oder diese Signale mit diesen Geräten zu übertragen. Bei einem Computersystem sind Beispiele für interne Geräte solche Geräte, die für Systemspeichervorrichtungen oder für Medien vorgesehen sind, Stromregelgeräte, oder Karten, die für solche Zwecke wie Audio- und/oder Grafik-Funktionalität und für Telefon- oder Funksignal-Connectivity vorgesehen sind. Beispiele für externe Geräte sind Eingabegeräte, wie etwa eine Tastatur oder Maus, Drucker, Anschlusserweiterungen und Monitore. Diese Aufzählungen sind jedoch nicht ausschließend, sondern können weitere interne und/oder externe Geräte umfassen, die mit Computersystemen verbunden sind oder darin integriert sind. Darüber hinaus kann die IC-Anordnung über eine Strom- und/oder Erdverbindung elektrisch mit dem System verbunden werden. Diese Signal- und/oder Strom-/Erdverbindungen können mit der IC-Anordnung über ein Gedruckte-Schaltungs-Substrat hergestellt werden, wie etwa ein Gehäusesubstrat, eine Systemplatine, ein Flex-Substrat, eine Karte oder ein anderes Gedruckte-Schaltungs-Substrat. Alternativ kann eine direkte Signal- und/oder Strom-/Erdverbindung zwischen der IC-Anordnung und einer anderen Komponente oder einem anderen Gerät unter Umgehung eines Substrats hergestellt werden, wie etwa mit einer Funk- oder anderen direkten Verbindung.
  • Ein Thixocast-Verbund-STIM (STIM: Solder Thermal Interface material; thermisches Löt-Grenzflächenmaterial) kann außerdem eine passive Kühlanordnung 505 mit einer aktiven Kühl anordnung oder mit einer zweiten passiven Kühlanordnung 530 thermisch verbinden, wodurch eine thermische Grenzfläche mit einem geringen Widerstand gegen den Fluss von Wärmeenergie von einer Kühlanordnung zu der anderen entsteht, wenn es zwischen diese geschichtet wird und mit diesen thermisch verbunden wird. Beispiele für passive Kühlanordnungen sind ein IHS und eine Wärmesenke, während Beispiele für aktive Kühlanordnungen ein thermoelektrisches Kühlelement (thermoelectric cooler; TEC), ein Mehrphasen-Kühlelement und eine Kühlanordnung sind, aber die Ausführungsformen sind nicht auf die Beispiele beschränkt, die hier speziell aufgelistet sind. Passive und aktive Kühlanordnungen werden bei den hier angegebenen Beispielen und anderen Beispielen, die in den beigefügten Beschreibungen angemessen impliziert sind und aus diesen hervorgehen, als thermische Komponenten für die verschiedenen Ausführungsformen angesehen. Daher kann unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Beispiels einer Baugruppe ein IHS 505, der mittels eines Thixocast-Löt-Verbund-TIM 510 mit einer IC-Anordnung 515 thermisch verbunden ist, weiter mit mindestens einer zweiten Kühlanordnung 530, wie etwa einer passiven oder aktiven Kühlanordnung, thermisch verbunden werden. Ein Thixocast-Löt-Verbund-TIM 525 kann ebenfalls eine thermische Grenzfläche zwischen dem IHS 505 und der zweiten Kühlanordnung 530 bereitstellen.
  • Um ein Thixocast-Löt-Verbund-TIM thermisch mit einer thermischen Komponente zu verbinden, wird das TIM angrenzend an eine Bondfläche einer thermischen Komponente angeordnet. Die Temperatur des TIM wird mindestens auf die Schmelztemperatur des Indiums, aber nicht bis auf die Schmelztemperatur von Aluminium erhöht. Das Indium schmilzt und schmilzt wieder auf (reflows), wodurch die Bondfläche der thermischen Komponente benetzt wird. Die Temperatur des Gemisches wird dann so lange unter die Schmelztemperatur des Indiums gesenkt, bis das Indium erstarrt. Die Aluminiumteilchen bleiben in der Indium-Matrix verteilt. Dadurch wird das TIM nicht nur thermisch, sondern auch physisch mit der thermischen Komponente verbunden. Auf diese Weise wird eine thermische Komponente mit einem Thixocast-Löt-Verbund-TIM zum späteren Anbringen an einer IC-Anordnung oder einer anderen thermischen Komponente bereitgestellt. In der gleichen Weise kann auch ein Löt-Verbund-TIM angrenzend an eine IC-Anordnung zum späteren Anbringen an einer thermischen Komponente bereitgestellt werden.
  • Ein Thixocast-Verbund-STIM kann auch zwischen entsprechenden Bondflächen von zwei oder mehr thermischen Anordnungen oder einer IC-Anordnung und einer thermischen Anordnung angeordnet werden. Das STIM wird dann wiederaufgeschmolzen (reflowed), um mit den thermischen Komponenten (und/oder der IC-Anordnung) einzeln thermisch verbunden zu werden. Wenn thermische Anordnungen nach dieser Methode verbunden werden, können die thermischen Anordnungen an festen Positionen in Bezug zueinander gehalten werden, sodass ein Bondleitungsspalt zwischen benachbarten und entsprechenden Bondflächen definiert wird und während der gesamten Dauer des STIM-Reflow-Prozesses aufrechterhalten wird. Bei diesem Aspekt sollte das STIM physischen Kontakt mit jeder Bondfläche vor dem Reflow zu der beim Reflow haben, und das STIM benetzt die Bondfläche und bleibt mit der Bondfläche während des gesamten Reflows und der gesamten Wiedererstarrung physisch verbunden.
  • Alternativ kann eine thermische Komponente über (in Bezug auf) eine(r) andere(n) mit einer STIM-Menge angeordnet werden, die sich zwischen den einzelnen thermischen Komponenten befindet und in physischem Kontakt mit jeder von ihnen ist, und das STIM kann wiederaufgeschmolzen werden, ohne die Bewegung der oberen thermischen Komponente wesentlich einzuschränken. Wenn das STIM wiederaufgeschmolzen wird, kann sich durch die Fließfähigkeit und die reduzierte Dichte des STIM die obere thermische Komponente nach unten zu der unteren thermischen Komponente absetzen, wodurch sich die Breite des Bondleitungsspalts zwischen den benachbarten und entsprechenden Bondflächen der thermischen Komponenten verringert. Bei diesem Aspekt wird die endgültige Dicke des Bondleitungsspalts von solchen Faktoren wie Masse der oberen thermischen Komponente, Menge und Umfang der Verteilung des STIM in Querrichtung des Bondleitungsspalts, Größe und Menge der Aluminiumteilchen in dem STIM, Zeitdauer des Haltens des STIM in einem schmelzflüssigen Zustand und anderen Faktoren bestimmt.
  • Bei einem weiteren Aspekt wird eine Begrenzung um einen Bondleitungsspalt zwischen zwei angrenzend angeordneten thermischen Komponenten gebildet. Die Begrenzung ist so konfiguriert und in Bezug auf die thermischen Komponenten angeordnet, dass sie vermeidet, dass schmelzflüssiges STIM-Material aus dem Bondleitungsspalt ausläuft. Bei diesem Aspekt kommt es nicht darauf an, ob die thermischen Komponenten aufeinander oder in einem anderen Orientierungswinkel angeordnet sind. Während des Reflows eines in dem Bondleitungsspalt befindlichen STIM können die thermischen Komponenten in Bezug zueinander ortsfest gehalten werden (wodurch die Breite des Bondleitungsspalts aufrechterhalten wird), oder sie können aufeinander zu bewegt werden (sodass der Bondleitungsspalt während des Reflows verkleinert wird). Da schmelzflüssiges STIM gewöhnlich entsprechend dem Einfluss der Schwerkraft fließt, hält eine Begrenzung, die um den Bondleitungsspalt gebildet wird, den Fluss aus schmelzflüssigem STIM auf und hält ihn dadurch in dem Bondleitungsspalt. Eine Begrenzung nach diesen Aspekten kann eine mechanische Struktur (wie etwa ein Absperrelement), eine Hochtemperaturdichtung, eine Erhebung oder Sperre einer oder mehrerer der thermischen Anordnungen oder andere ähnlich funktionierende Vorrichtungen umfassen.
  • Vorstehend sind zahlreiche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden, aber die vorstehende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen sind nur erläuternd und nicht beschränkend. Sie sind in erster Linie für ein klares und umfassendes Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt worden, und daraus dürfen keine unnötigen Beschränkungen abgeleitet werden. Es können zahlreiche Ergänzungen, Streichungen und Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen sowie alternative Anordnungen von Fachleuten entwickelt werden, ohne von dem Grundgedanken der Ausführungsformen und dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Gemisches aus schmelzflüssigem Indium und schmelzflüssigem Aluminium und das Bewegen des Gemisches, wobei dessen Temperatur so lange gesenkt wird, bis sich das Aluminium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase umwandelt, wodurch Teilchen entstehen, die in dem schmelzflüssigen Indium verteilt sind. Das ausreichende Bewegen des Gemisches, um das Aluminium in dem schmelzflüssigen Aluminium im Wesentlichen suspendiert zu halten, wird fortgesetzt, und dabei wird die Temperatur des Gemisches so lange weiter gesenkt, bis sich das Indium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase umwandelt. Es wird eine metallische Zusammensetzung hergestellt, die Indium und Teilchen von Aluminium enthält, die in dem Indium suspendiert sind, wobei die Aluminiumteilchen im Wesentlichen oxidationsfrei sind. Die metallische (Löt-)Zusammensetzung kann zum Herstellen einer Baugruppe verwendet werden, die Folgendes aufweist: eine IC-Anordnung (IC: integrierte Schaltung); mindestens eine erste thermische Komponente, die angrenzend an die IC-Anordnung angeordnet ist; und ein Löt-TIM (TIM: Thermal Interface Material; thermisches Grenzflächenmaterial), das zwischen der IC-Anordnung und der ersten thermischen Komponente angeordnet ist und jeweils mit der IC-Anordnung und der ersten thermischen Komponente thermisch verbunden ist.

Claims (21)

  1. Verfahren mit den folgenden Schritten: – Bewegen eines Gemisches aus geschmolzenem Indium und geschmolzenem Aluminium, wobei die Temperatur des Gemisches so lange gesenkt wird, bis sich das Aluminium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase als Teilchen umwandelt, die in dem geschmolzenem Indium verteilt sind; und – ausreichendes Bewegen des Gemisches, um das Aluminium in dem gesamten Gemisch verteilt zu halten, wobei die Temperatur des Gemisches so lange weiter gesenkt wird, bis sich das Indium von einer flüssigen Phase in eine feste Phase umwandelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Gemisches ein Aussetzen des Gemisches an ein sich relativ kontinuierlich ändernden Magnetfelds umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegen des Gemisches ein so kräftiges Rühren umfasst, dass das erstarrende Aluminium in Teilchen zerfällt und die Teilchen in dem geschmolzenen Gemisch suspendiert bleiben.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch etwa 15 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% Aluminium aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch weiterhin bis zu etwa 5 Masse-% Kupfer aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Gemisches das Kombinieren von Aluminium und Indium in einem System mit einstellbarer Temperatur und das Erhöhen der Temperatur der Kombination auf mindestens die Schmelztemperatur von Aluminium umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Konfigurieren des erstarrten Indium-Aluminium-Materials als STIM-Formteil (STIM: Solder Thermal Interface Material; thermisches Löt-Grenzflächenmaterial) umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das STIM-Formteil einer Folie gleicht.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Indium-Aluminium-Gemisches mindestens ungefähr 875 Grad Celsius erreicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumteilchen in dem Löt-Verbundmaterial im Wesentlichen oxidationsfrei sind.
  11. Metallische Zusammensetzung mit: – Indium und – Teilchen von Aluminium, die in dem Indium suspendiert sind, wobei die Aluminiumteilchen im Wesentlichen oxidationsfrei sind.
  12. Metallische Zusammensetzung nach Anspruch 11, die weiterhin bis zu etwa 5 Masse-% Kupfer aufweist.
  13. Metallische Zusammensetzung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumteilchen relativ gleichmäßig in dem gesamten Indium verteilt sind.
  14. Metallische Zusammensetzung nach 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung als STIM-Formteil für ein Integrierte-Schaltungs-Package konfiguriert ist.
  15. Metallische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung zwischen einer ersten Fläche einer ersten thermischen Komponente und einer zweiten Fläche einer zweiten thermischen Komponente angeordnet ist.
  16. Metallische Zusammensetzung nach Anspruch 1, die etwa 15 Vol.-% bis etwa 80 Vol.-% Aluminium aufweist.
  17. Metallische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumteilchen im Wesentlichen kugelförmig sind.
  18. Anordnung mit: – einer IC-Vorrichtung (IC: integrierte Schaltung); – einer ersten thermischen Komponente, die neben der IC-Anordnung angeordnet ist; und – einem STIM, das zwischen der IC-Anordnung und der ersten thermischen Komponente angeordnet ist und jeweils mit der IC-Vorrichtung und der ersten thermischen Komponente thermisch gekoppelt ist, wobei das STIM Aluminiumteilchen aufweist, die in Indium suspendiert sind.
  19. Anordnung nach Anspruch 18, die weiterhin ein Gedruckte-Schaltungs-Substrat aufweist, wobei zumindest eine der IC-Vorrichtung und der ersten thermischen Komponente physisch mit dem Substrat gekoppelt ist.
  20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die IC-Anordnung elektrisch mit einem Teil eines Computersystems gekoppelt ist und diesen aufweist.
  21. Anordnung nach Anspruch 18, die weiterhin eine zweite thermische Komponente aufweist, die mit der ersten thermischen Komponente thermisch gekoppelt ist.
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